地铁本生轮子吗?

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看了下这个问题下的答案,感觉大家已经把这个话题往“机械动力学”上带偏了。其实这是一个关于“流体力学”的问题(或者说含有“流体”这一部分)——具体来说是关于空气流动与阻力的问题。 先给出答案吧:地铁不是轮式车辆。(严格来说,列车不是轮式车辆;轮式车辆指的是四个车轮同时承重的车辆。)

在确定答案后,我们接着要讨论的是:如何评价地铁的“非轮式车辆”设计? 首先我们要明确一点常识:任何一辆汽车,不论是不是轿车,都是“底盘”和“车身”两个部分的结合体、而不是一个整体。同样,地铁也是由“车底”和“车顶”两部分组成的。通常我们把这样一台被分割成上下两个部分、并且通过连接装置形成整体的机器叫做“框架结构”。

地铁的车底负责承重和悬挂系统,并容纳所有驱动/传动部件。一般来讲,一辆正常的地铁车型其车底部分长度远大于高度。因为车厢在地面行驶的时候需要考虑凹凸不平的路面,以及转向时外侧车轮高于内侧车轮导致的侧倾,所以车底的上方部分会做得较为宽扁。 与之对应,地铁的车顶负责载重和安全防护,同时也需要具备足够的强度来承受上下车的冲击力。地铁车顶部分一般会做成相对高耸且宽度较窄的形状。

当然也有例外的情况,比如一些轻型地铁或者无人驾驶地铁的设计。 回到问题中来,地铁并不是轮式车辆的原因非常简单:它是一台框架结构的汽车。而我们熟悉的那些轿车、SUV甚至是卡车,尽管形态千差万别,但它们都是“承载式车身”的汽车。这就意味着这些车辆都是整体式底盘,即车身与底盘融为一体,没有明确的区分。

所以从“车身是否承载式”这个角度来看,地铁确实是“非轮式车辆”——这点和卡车、货车、装甲车等相同。 但为什么我们需要讨论“地铁是否是轮式车辆”这个问题呢? 其实是因为“非轮式车辆”这几个字背后所隐藏的“风阻问题”。 我们知道,影响车辆行驶能耗最大除了发动机输出功率外,就是路面的光滑程度。而路面粗糙程度又和路面附着系数相关。当车辆处于运动状态时,空气相对于运动的地面摩擦会产生升力。

考虑到城市路面大多经过专门平整处理,附着系数对于节能减排的影响实际上并不明显。因此要想让一辆汽车更省油,最实在的方法就是在车身设计上减少风阻——而车身风阻则体现在如下几个方面: 当我们说地铁是“非轮式车辆”时,其实是在说地铁符合“低风阻”车身设计的第1个特点:车身宽窄比高。

另外,由于地铁的车顶往往做高耸状,也满足着车身风阻的第2个特点:适当倾斜。 如果把一辆汽车的底盘看成一个“容器”,那么车身风阻越低,这个“容器”所能盛住的空气量就越少,也就是说空气阻力对底盘产生的作用就越小。反之,如果底盘能装下的空气量大,那么在同一时间内,空气阻力对底盘的作用就会大。 而决定一辆车能否做到低风阻的最关键因素,其实不在于车身的外形,而是在于车底部分的结构——尤其是变速箱的位置。

一般来说,当前主流车型都采用“横置变速箱”的设计,也就是把自动变速箱放置在发动机与方向盘之间,这样的设计可以大大减轻引擎舱的布置难度,优化前端空间利用。但这种布局有个缺点:在相同的机舱容积情况下,安装着横置变速箱的车型一般会比安装着纵置变速箱的车型更长些。这就会导致该车更不“宽矮”,从而增加空气阻力。

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地铁接触网有直流1500伏或交流10KV高压电,通过接触网-受电弓、主变压器和牵引逆变器的作用转化变成可控制的电流,再通过牵引电机转化成可控制的转矩,通过联轴节和齿轮箱等传递给车轮,车轮与钢轨之间通过粘着摩擦而产生牵引力,把列车向前拉着走。为了传递这个转矩,车轮和轴之间一般是压紧配合成一个整体,其结构有实心轮、空心轮(内藏轴承)和辐板式轮等形式。为解决由于钢轨等设备公差和列车悬挂系统而引起的车轮悬空,一般一个转向架都安装有两个牵引电机,因此从牵引动力的角度来讲,地铁车辆每个车轮都可以旋转而使列车行驶,当然有些车轮的车轴上装有制动盘而用来制动。

地铁车辆一般有两个司机室,司机在司机室内通过控制器对牵引电机和制动系统进行控制来驾驶地铁车辆。因此,地铁车辆任何一个轮子损坏都有可能导致列车不能运行,为确保安全其检修要求和标准比一般铁路列车要苛刻一些。地铁列车一般没有摆动式转向架,转向架构架、车轴和车轮间也没有横向油压减振器,而是用整体铸钢结构的构架和横梁来加强定位系统刚度减小车轮横向摆动。

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